在尋找可能適合居住的系外行星時(shí)，天文學(xué)家所要尋找的最重要的一件事是，是否在他們的恒星的宜居帶內(nèi)運(yùn)行外行星的軌道。這是液態(tài)水存在于行星表面的必要條件，這是我們所知道的生命的先決條件。然而在發(fā)現(xiàn)新的系外行星的過程中，科學(xué)家們已經(jīng)意識(shí)到一個(gè)被稱為“水世界”的極端案例。
有水天體世界的描繪圖。一項(xiàng)新的研究表明，當(dāng)涉及到行星的時(shí)候，地球是少數(shù)，而且大多數(shù)可居住的行星可能大于90%的海洋。圖片：David A. Aguilar (CfA)
水的世界本質(zhì)上是由50%的水組成的行星，導(dǎo)致地表的海洋有幾百千米深。根據(jù)來自普林斯頓大學(xué)、密歇根大學(xué)和哈佛大學(xué)的一組天體物理學(xué)家的最新研究，水世界可能無法在水里待很長(zhǎng)時(shí)間。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于在我們的宇宙中尋找可居住的行星來說是非常重要的。在發(fā)表在《天體物理學(xué)》上一篇題為《水世界經(jīng)大氣流失的脫水》的研究報(bào)告。在普林斯頓大學(xué)天體物理學(xué)系的Chuanfei Dong領(lǐng)導(dǎo)下，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，考慮了水世界將會(huì)受到什么樣的條件。
對(duì)環(huán)繞紅矮星運(yùn)行的行星的概念圖，圖片版權(quán)：ESO/M. Kornmesser
這項(xiàng)研究很大程度上是由近年來在低質(zhì)量、m型(紅矮星)恒星系統(tǒng)周圍發(fā)現(xiàn)的系外行星發(fā)現(xiàn)所激發(fā)的。這些行星的大小與地球相當(dāng)，表明它們很可能是陸地(即巖石)。此外許多這些行星——例如在trappist - 1系統(tǒng)中的Proxima b和三顆行星——都被發(fā)現(xiàn)在恒星宜居帶內(nèi)運(yùn)行。
然而隨后的研究表明，比鄰星b和其他圍繞紅矮星運(yùn)行的巖石行星實(shí)際上可能是水世界。這是根據(jù)天文調(diào)查得出的質(zhì)量估計(jì)，以及這些行星在自然中是巖石，沒有巨大的大氣層的內(nèi)在假設(shè)。與此同時(shí)，已經(jīng)有大量的研究表明這些行星是否能夠控制住它們的水。基本上這都?xì)w結(jié)于恒星的類型和行星的軌道參數(shù)。與我們的太陽相比，紅矮星雖然壽命長(zhǎng)，但因其多變和不穩(wěn)定而聞名，它會(huì)周期性地燃燒，從而在一段時(shí)間內(nèi)剝?nèi)ヒ活w行星的大氣層。
最重要的是，在一個(gè)紅矮星的宜居帶內(nèi)運(yùn)行的行星可能會(huì)被鎖住，這意味著地球的一邊會(huì)不斷地暴露在恒星的輻射之下。正因?yàn)槿绱?，科學(xué)家們專注于確定不同類型的恒星系統(tǒng)中系外行星如何能控制住它們的大氣層。大氣的存在被認(rèn)為是一個(gè)行星適居性的要求之一。話雖如此，可居性的概念是一個(gè)復(fù)雜的概念，涉及到無數(shù)的因素。因此大氣層本身不足以保證可居住性，但它可以被認(rèn)為是一個(gè)行星適宜居住的重要因素。
圖中顯示了trappist - 1f的可能表面，這是trappist - 1系統(tǒng)中新發(fā)現(xiàn)的行星之一。圖片：NASA/JPL-Caltech
為了測(cè)試水世界是否能夠保持它的大氣層，研究小組進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，考慮了各種可能的情況。這些因素包括恒星磁場(chǎng)、日冕物質(zhì)拋射和大氣電離和對(duì)各種類型恒星的大氣電離和彈射——包括g型恒星(如我們的太陽)和m型恒星(如比鄰星和trappist - 1)。隨著這些效應(yīng)的出現(xiàn)，董博士和他的同事們得出了一個(gè)綜合模型，模擬了太陽系外行星的持續(xù)時(shí)間。開發(fā)了一種新型多流體磁鈴動(dòng)力學(xué)模型。該模型模擬了電離層和磁層整體。
由于偶極磁場(chǎng)的存在，恒星風(fēng)不能直接將大氣吹散(如由于缺乏全球偶極磁場(chǎng)而導(dǎo)致的火星)，相反大氣離子損失是由極風(fēng)引起的。電子的質(zhì)量比它們的母體離子要小，因此它們更容易加速到行星的逃逸速度之外。”在逃逸、低質(zhì)量電子和明顯較重的帶電離子之間的電荷分離形成了極化電場(chǎng)。而電場(chǎng)反過來作用，將帶正電荷的離子沿著逃逸的電子，從兩極的大氣中拉出來。
在紅矮星trappist - 1周圍發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的外行星上，藝術(shù)描繪對(duì)這一觀點(diǎn)的概念圖，圖片：ESO/M. Kornmesser.
計(jì)算機(jī)模擬與當(dāng)前的地球-太陽系統(tǒng)是一致的。然，在一些極端的可能性中——比如在m型恒星周圍的系外行星——情況非常不同，轉(zhuǎn)義率可能是1000倍或更多。這個(gè)結(jié)果意味著，即使是一個(gè)水世界，如果它圍繞一顆紅矮星運(yùn)行，也可能在10億年后失去它的大氣層。考慮到我們所知道的生命大約需要45億年才能進(jìn)化，10億年是一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)間。
事實(shí)上正如董博士所解釋的，這些結(jié)果表明，那些圍繞m型恒星運(yùn)行的行星將很難發(fā)展生命：研究結(jié)果表明，海洋行星(繞著類似太陽的恒星運(yùn)行)將保持它們的大氣層的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了Gyr的時(shí)間尺度，因?yàn)殡x子轉(zhuǎn)義率太低，因此，它允許生命的更長(zhǎng)的時(shí)間從這些行星上產(chǎn)生，并在復(fù)雜性方面進(jìn)化。”相比之下，對(duì)于環(huán)繞著m -矮星的系外行星，由于在靠近宜居帶內(nèi)的外部行星經(jīng)歷更強(qiáng)烈的粒子和輻射環(huán)境，它們的海洋可能會(huì)因?yàn)楦鼜?qiáng)的粒子和輻射環(huán)境而耗盡它們的海洋。
如果大氣在小于Gyr的時(shí)間內(nèi)被耗盡，這可能會(huì)成為地球生命起源(自然發(fā)生)的問題。這些結(jié)果再次讓人對(duì)紅矮星系統(tǒng)的潛在可居性產(chǎn)生了懷疑。在過去，研究人員已經(jīng)指出，紅矮星的壽命可以保持在其主要序列長(zhǎng)達(dá)10萬億年或更長(zhǎng)時(shí)間，使它們成為尋找可居住系外行星的最佳候選。然而，這些恒星的穩(wěn)定性以及它們可能會(huì)剝奪行星的大氣層的方式似乎表明了其他方面。
在trappist - 1系統(tǒng)中，一位藝術(shù)家對(duì)行星凌日紅矮星的描述的概念圖，圖片：NASA/ESA/STScl
因此諸如此類的研究非常重要，因?yàn)樗鼈儙椭鉀Q了一顆紅矮星周圍可能適宜居住的行星的存在時(shí)間。考慮到大氣損失對(duì)行星適居性的重要性，人們對(duì)使用即將到來的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)等望遠(yuǎn)鏡來確定這些行星是否有大氣，如果是這樣，他們的組成是什么樣的？已經(jīng)有了很大的興趣。”預(yù)計(jì)JWST應(yīng)該能夠描述這些大氣(如果存在的話)，但是準(zhǔn)確地量化轉(zhuǎn)義率需要更高的精確度，在不久的將來可能是不可行的。
在我們對(duì)太陽系的理解和它的演變過程中，這項(xiàng)研究也很重要。曾幾何時(shí)科學(xué)家們?cè)半U(xiǎn)說，地球和金星都可能是水世界。他們?nèi)绾螐乃畼舆^渡到今天的樣子——在金星，干燥和地獄的情況下;就地球而言，擁有多個(gè)大陸是一個(gè)非常重要的問題。在未來，更詳細(xì)的調(diào)查將有助于闡明這些相互競(jìng)爭(zhēng)的理論。當(dāng)詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)在2018年春季部署時(shí)，它將利用其強(qiáng)大的紅外功能研究附近的紅矮星周圍的行星，比鄰星b是其中之一。我們對(duì)這個(gè)和其他遙遠(yuǎn)系外行星的了解將會(huì)大大有助于我們了解我們自己的太陽系是如何進(jìn)化的。
博科園｜文: Matt Williams/Universe Today
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